Артеменко Юрий Николаевич исследование и разработка информационно-измерительной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона рт-70 автореферат

Вид материала

Автореферат

Содержание Официальные оппоненты Ведущая организация – Общая характеристика работы Цель диссертации. Методика исследований Научная новизна Практическая ценность Основные положения Личный вклад автора в разработку избранной темы Апробация работы. Структура и объем диссертации. Основное содержание работы В первой главе Во второй главе L до объекта величина смещения d Первый уровень Второй уровень Третий уровень В четвертой главе Основные результаты работы ... Полное содержание

Подобный материал:

• Влияние электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на течение острого инфаркта, 37.45kb.
• Применение электромагнитных волн миллиметрового диапазона в ортопедии и травматологии, 15.01kb.
• Обработка и передача измерительной информации, 85.54kb.
• Применение электромагнитного излучения миллиметрового диапазона для лечения больных, 41.51kb.
• Н. П. Диденко, А. В. Замотринский,, 60.34kb.
• Морфофункциональные изменения при хроническом гастрите у собак и воздействии эми квч, 342.08kb.
• Диагностики представляет материал, в котором проводится изложение всех этапов проектирования, 45.74kb.
• Совершенствование системы безопасности персонала аэс на основе информационно-измерительной, 235.16kb.
• Программа дисциплины "Математические модели и методы теории решений" для направления, 146.63kb.
• Исследование и разработка методики организации информационного пространства для динамично, 289.49kb.

Артеменко Юрий Николаевич


Исследование и разработка информационно-измерительной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70


АВТОРЕФЕРАТ


Специальность: 05.11.16 – «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)»


Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Санкт-Петербург


2006 г.


Работа выполнена в Институте проблем машиноведения

Российской академии наук (ИПМаш РАН)


Научный руководитель –

доктор технических наук, профессор

Городецкий Андрей Емельянович


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Фрадков Александр Львович


кандидат технических наук, нач. лаборатории

Нужин Андрей Владимирович


Ведущая организация –

Санкт-Петербургский институт информатики и

автоматизации Российской академии наук


Зашита состоится « » ______ 2006 г. в час мин.

На заседании диссертационного совета Д 002.075.01 при Институте проблем машиноведения Российской академии наук по адресу: 199178, Санкт-Петербург, Большой пр. В. О., д. 61, ИПМаш РАН


С диссертацией можно ознакомится в ОНТИ ИПМаш РАН

Автореферат разослан « » ______ 2006 г.


Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук

В. В. Дубаренко


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В последнее время интенсивность исследований и разработок, направленных на создание различных радиотехнических устройств диапазона 30 – 300 ГГц, постоянно возрастает, а области их применения расширяются. Использование этого диапазона, занимающего промежуток между достаточно хорошо освоенными сантиметровым и оптическим диапазонами, в радиосистемах и радиоастрономии позволяет в ряде случаев найти компромиссное решение, в большей степени отвечающее требованиям конкретных задач. Расширение области применения диапазона миллиметровых длин волн (ММДВ) обусловлено тремя факторами: большой протяженностью спектра, особенностями их распространения в атмосфере, малой длиной волны.

Одним из наиболее важных направлений использования ММДВ являются радиоастрономические исследования с помощью радиотелескопов, направленные на решения крупных научных проблем:

- определения фундаментальных закономерностей пространства-времени;

- построения модели расширяющейся Вселенной;

- изучение структуры и динамики астрономических объектов, в том числе в космических источниках со сверхсильными гравитационными и электромагнитными полями, объектах-ускорителях элементарных частиц до сверхвысокой энергии;

- изучение проблем образования, физики и эволюции звезд и галактик, геодинамика и геотектоника;

- координатно-временное обеспечение научной и хозяйственной деятельности.

Для информационного обеспечения отмеченных астрономических задач строящийся радиотелескоп РТ-70 будет работать в трех режимах:

- как одиночный инструмент, обладающий многолучевой диаграммой (до 100 лучей одновременно),

- как основной инструмент наземной сети интерферометров в Евро-Азиатском районе,

- как основной инструмент радиоинтерферометров Земля-Космос по программам фундаментальных космических исследований.

Во всех этих режимах РТ-70 в ММДВ может обеспечить наиболее высокую чувствительность и угловое разрешение при проведении наблюдений в непрерывном спектре, спектральных линиях, поляризационных измерениях и изучении быстропеременных процессов. Однако при этом необходимо решить проблему создания высокоточной системы наведения радиотелескопа на космические источники радиоизлучения (КИР), снабженной информационно-измерительной системой, обеспечивающей замыкание контуров управления различных уровней путем формирования с минимальными погрешностями соответствующих потоков измерительной информации.

Таким образом, актуальность и важность создания информационно-измерительной системы радиотелескопа РТ-70 для наблюдения КИР ММДВ, не вызывает сомнения.

Оптические методы обработки и передачи информации в настоящее время находят все более широкое применение, так как обладают высоким быстродействием и хорошей помехозащищенностью, что крайне важно для обеспечения работоспособности радиотелескопа. Однако в измерительных каналах вычислительно-управляющих комплексов (ВУК) радиотелескопов (РТ) эти методы практически не используются, что можно объяснить слабой проработкой схемотехнических вопросов их использования, а также пробелами в исследовании ряда метрологических вопросов и отсутствием инженерных методик проектирования оптико-электронных измерительных каналов (ОЭИК) с требуемыми характеристиками.

Работа выполнена с 2002 по 2006 г.г. в АКЦ ФИАН и ИПМаш РАН

Цель диссертации. Целью работы являлось исследование и разработка информационно-измерительной системы, осуществляющей измерение и преобразование в цифровую форму параметров и характеристик РТ и окружающей среды для ввода их в ВУК, вырабатывающей (вычисляющей) управляющие воздействия, обеспечивающие функционирование РТ во всех штатных режимах.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона за счет совершенствования информационно-измерительных систем,

- исследование и разработка методов и средств измерения смещений элементов конструкции зеркальной системы на основе анализа измеряемых параметров и существующих методов измерений;

- исследование и разработка оптико-электронных измерительных каналов системы мониторинга окружающей среды на основе анализа измерительных задач системы мониторинга и степени влияния параметров окружающей среды на функционирование радиотелескопа;

- разработка формул и методик для расчетов узлов оптоэлектронных измерительных каналов радиотелескопа, а также оценок их метрологических характеристик;

- компьютерное и физическое моделирование оптико-электронных измерительных каналов смещений элементов конструкции зеркальной системы с целью уточнения их параметров и подтверждения теоретических исследований результатами экспериментов.

Методика исследований основана на применении современных аналитических и численных методов и алгоритмов анализа погрешностей, математического и физического моделирования, а также принципов аналитического и структурного проектирования информационно-измерительных каналов.

Научная новизна данной работы состоит в том, что впервые:

1. Теоретически исследована новая структура информационно-измерительной системы большого полноповоротного радиотелескопа миллиметрового диапазона, использующая гироскопическую платформу в качестве инерциальной системы отсчета. Проведена оценка погрешностей используемых измерительных каналов.

2. Разработан метод уменьшения ограничения по дальности автоколлимационного измерения из-за виньетирования регистрируемого отраженного пучка путем использования управляемого контрольного элемента с датчиком обратной связи, содержащим экран из нового функционального материала – пористого кремния, позволяющим получать одновременно информацию о направлении и скорости перемещения.

3. Уточнено уравнение измерения для обобщенного интерференционно-кодового измерительного канала (ИКИК) за счет введения операции сопряжения различных периодических пространственно-временных структур и операции выделения измеряемого информационного параметра из смеси сигнал/шум, основанной на взятии функционала от ряда сверток с различными базисными функциями. Проведен теоретический анализ ИКИК на основе полученного уравнения, позволивший установить, что наибольшими инструментальными погрешностями обладают модуляторы, оптические усилители перемещения и волоконно-оптические линии связи.

4. Разработана методика проектирования ИКИК, заключающаяся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества.

Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:

1. Проведенный анализ оптико-электронных методов и средств измерения положения элементов конструкции РТ-70 позволяет осуществить целенаправленный синтез информационно-измерительных систем РТ-70, обеспечивающих повышение их точности и разрешающей способности.
   
2. Сформулированное обобщенное уравнение измерений ИКИК может служить основой для разработки методики расчета их погрешностей.
   
3. Разработанная методика выбора основных блоков ИКИК и расчета их параметров позволяет проектировать оптимальные ИКИК с заданными метрологическими параметрами.
   
4. Разработанные принципы компьютерного и физического моделирования оптико-электронных измерительных систем (ОЭИС) РТ-70 позволяют соотносить результаты теоретических исследований погрешностей ОЭИС с результатами экспериментов и вносить необходимые корректировки.
   

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Теоретические исследования новой структуры информационно-измерительной системы большого полноповоротного радиотелескопа миллиметрового диапазона, использующей гироскопическую платформу в качестве инерциальной системы отсчета. Анализ погрешностей используемых измерительных каналов позволил оптимизировать структуру информационно-измерительной системы РТ-70 .

2. Разработка метода уменьшения ограничения по дальности автоколлимационного измерения из-за виньетирования регистрируемого отраженного пучка путем использования управляемого контрольного элемента с датчиком обратной связи, содержащим экран из нового функционального материала – пористого кремния, позволяющим получать одновременно информацию о направлении и скорости перемещения.

3. Уточненное уравнения измерения для обобщенного интерференционно-кодового измерительного канала за счет введения операции сопряжения различных периодических пространственно-временных структур и операции выделения измеряемого информационного параметра из смеси сигнал/шум, основанной на взятии функционала от ряда сверток с различными базисными функциями. Уравнение может служить основой для получения расчетных соотношений, используемых при параметрическом синтезе оптического тракта.

4. Разработка методики проектирования ИКИК, заключающейся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества. Методика может использоваться при проектировании не только ИКИК РТ-70, но других оптико-электронных информационно-измерительных систем.

Личный вклад автора в разработку избранной темы состоял в выборе, теоретическом обосновании и реализации методов и средств измерений и расчетов погрешностей, в постановке экспериментальных исследований, участии в их проведении, обработке результатов и их анализе.

Проведение конструкторских разработок для физического моделирования, компьютерное и физическое моделирование ОЭИС проводились совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Апробация работы. Достоверность защищаемых положений подтверждена апробацией в научных публикациях (двух монографиях и одной статьи в рецензируемом научном журнале и четырех статьях в трудах российских и международных конференций), обсуждением научных результатов на трех Международных конференциях, экспериментальными исследованиями, компьютерным моделированием, успешным использованием в трех организациях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 монографии, 1 статья в рецензируемом журнале, 4 статьи в трудах российских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем основной части работы: 326 страниц, включая 19 таблиц, 146 рисунков и список литературы из 96 наименований.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, указана новизна и практическая значимость достигнутых результатов, приведена общая структура диссертации.

В первой главе проведен анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона за счет совершенствования информационно-измерительных систем, а так же зеркальных (антенных) систем, систем приема и регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения и систем наведения и автосопровождения КИР.

В настоящее время имеется большое разнообразие в построении зеркальных систем (ЗС) радиотелескопов, анализ и опыт использования которых для наблюдения КИР ММДВ показывает, что наиболее перспективно использование больших полноповоротных наземных трех зеркальных радиотелескопов с третьим подвижным перископическим зеркалом (ПЗ). Для повышения точности и эффективности в системе наведения такой ЗС на КИР может использоваться сканирование принимаемого сигнала через точечный приемник с помощью перископического зеркала и адаптация поверхности основного зеркала с помощью управляемого перемещения щитов отражающей поверхности (ЩОП). Вместо сканирования принимаемого сигнала перископическим зеркалом можно использовать управляемый подвижный приемник (УПП), устанавливаемый вблизи исходного вторичного фокуса ЗС. Тогда приемник будет следить за уходом вторичного фокуса ЗС. При этом, значительного снижения требований к точности наведения можно получить при использовании матричного приемника. Для реализации указанных режимов системы наведения необходимо создание соответствующих высокоточных информационно-измерительных систем, обеспечивающих замыкание контуров управления различных уровней путем формирования соответствующих потоков данных.

На этапе проектирования расчетным и экспериментальным путями определяются оптимальные положения ПЗ или УПП при различных сочетаниях ошибок наведения и деформаций ЗС. Эти данные записываются в память ВУК и используются в процессе наведения ПЗ или УПП для формирования задающих сигналов на их приводы, на основании текущих значений измеряемого вектора состояния РТ.

При таком способе приема сигналов нет необходимости требовать от приводов наведения точности соизмеримой с шириной диаграммы направленности антенны (ДНА). Требования к приводам наведения по точности могут быть существенно снижены, а разрешающая способность РТ повышена.

Полезность использования в системах наведения больших РТ регистрации «изображений» путем применения сканирующих перископических зеркал, либо путем применения управляемых подвижных приемников излучения и вычисления по результатам их анализа ошибок наведения очевидна. Однако для обеспечения работоспособности такой системы наведения требуется создание высокоточной, дистанционной и помехозащищенной информационно-измерительной системы (ИИС). При этом наиболее высокие и в тоже время наименее обоснованные требования на данном этапе проектирования ИИС предъявляются к каналам измерения линейных и угловых перемещений элементов конструкции ЗС.

При создании информационно-измерительных систем радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70, обеспечивающих повышение его точности и разрешающей способности необходимо, прежде всего решить проблему высокоточного измерения линейных и угловых перемещений элементов (ЩОП ОЗ, КР и ПЗ) зеркальной системы радиотелескопа. Для этого надо решить задачи создания следующих измерительных каналов или систем:

• системы измерения положения ЩОП ОЗ относительно опорного кольца (ОК), в результате работы которой определяется положение оси всей зеркальной системы радиотелескопа относительно оси опорного кольца;
  
• системы измерения положения ОК относительно гиростабилизированной платформы (ГСП), в результате работы которой определяется положение оси радиотелескопа по углу места;
  

- системы измерения положения ГСП по азимуту относительно абсолютной (наземной) системе координат, в результате работы которой определяется положение оси радиотелескопа по азимуту.

Из анализа паспортных данных образцов измерительных средств ведущих производителей следует, что серийно выпускаемые приборы в стандартных режимах работы не обеспечивают требуемой точности. Это определяет два пути реализации измерительных каналов – на основе серийных приборов в специально разрабатываемых режимах работы с оригинальной дополнительной оснасткой или – на основе специально разрабатываемых на современной элементной базе измерительных каналах.

При этом, если учесть высокие требования к помехозащищенности радиотелескопа от паразитных электромагнитных полей, становится очевидным целесообразность использования оптических методов обработки и передачи информации и соответственно оптико-электронных измерительных систем (ОЭИС), которые в настоящее время находят все более широкое применение, так как обладают высоким быстродействием и хорошей помехозащищенностью. Однако, в измерительных каналах ВУК радиотелескопов ОЭИС пока применяются редко, что можно объяснить слабой проработкой схемотехнических вопросов их использования, а также пробелами в исследовании ряда метрологических вопросов и отсутствием инженерных методик проектирования оптоэлектронных измерительных каналов с требуемыми характеристиками.

Делается вывод, что для создания оптоэлектронных измерительных систем и каналов ВУК радиотелескопа миллиметрового диапазона, актуально решение следующих задач:

- проведения метрологического анализа вариантов методов и структур ОЭИС для измерения линейных и угловых перемещения подвижных элементов ОЗ, КР и ПЗ зеркальной системы радиотелескопа.,

- проведения анализа устойчивости вариантов оптических методов и средств измерения линейных и угловых перемещения подвижных элементов ОЗ, КР и ПЗ зеркальной системы радиотелескопа к воздействию внешних факторов,

- разработка компьютерных и физических моделей выбранных по точности и помехозащищенности ОЭИС,

- разработка комплекса измерительных процедур для обеспечения универсальности использования оптоэлектронных измерительных каналов, построенных на базе интерференционно-кодовых преобразователей и параллельных световолоконных линий связи;

- исследование отдельных особенностей теории оптоэлектронных измерительных каналов с учетом специфики интерференционно-кодового преобразования измерительной информации и передачи ее по световолоконным линиям связи;

- разработка расчетных формул и методик для синтеза узлов оптоэлектронных измерительных систем и каналов рассматриваемого типа, а также оценок их метрологических характеристик

Во второй главе проводится анализ измеряемых параметров РТ-70 и возможных методов измерений. Установлено, что в процессе поворотов ЗС, на нее действуют случайные неконтролируемые возмущения, среди которых наиболее значимыми являются деформации конструкции, вызванные весовыми, ветровыми и температурными воздействиями, и перекосы основания зеркальной системы при повороте по азимуту. Поэтому при наведении ЗС необходимо решать проблему высокоточного измерения линейных и угловых перемещения элементов конструкции ЗС.

Анализ требований, которые могут быть предъявлены к дальномерам, при их использовании для измерения смещения элементов конструкции ЗС РТ-70 методом «линейной засечки» показал, что при заданном значении точности измерения смещений ∆X = ∆Y = ∆Z = 100 мкм получим следующее требование к разрешающей способности дальномеров: ∆L = min{∆l_1, ∆l₂, ∆l₃} ≈ 5 мкм

Подобной разрешающей способностью (порядка долей длины волны света) обладают оптико-электронные системы, использующие явления волновой оптики (интерферометры). Однако погрешности измерения вследствие влияния дестабилизирующих факторов, таких, как вибрации и неконтролируемые смещения опорных точек, а так же флюктуации оптических свойств воздушного тракта, могут достигать единиц и десятков процентов от диапазона измерения, что делает их использование в рассматриваемой системе проблематичным.

Альтернативным является метод «угловой засечки». По этому методу с двух реперных точек измеряются углы визирования (угол между оптической осью объектива и направлением на точку) контролируемой точки в вертикальной и горизонтальной плоскостях (рис.1).






Рис. 1. XYZ0 – оси приборной системы координат


По измеренным углам визирования ____ и известной величине базового расстояния B между реперными точками определяются координаты XYZ контролируемой точки в приборной системе координат X0Y0Z0.

Z = B [1 + sin __ sin __)] / 2 ;

X = B sin_ sin _ / sin (__) ;

Y = [Y + B (tg ₁ sin _ + tg_ sin_) / sin __)] / 2 .

Известно, что при одинаковой погрешности измерения требуемая величина баз B1, B2, B3 (расстояний между измерителями) при реализации метода "линейной засечки" (рис.2) в среднем в 2…3 раза больше (и соизмерима с расстояниями L до контролируемой точки), чем требуемая величина базы B в методе «угловой засечки». Поэтому в рассматриваемом



Рис.2.Метод «линейной засечки»


случае целесообразно использовать метод «угловой засечки». Тогда, исходя из особенностей опорно-поворотного устройства (ОПУ) и пространственной металлоконструкции (ПМК) зеркальной системы РТ-70, состоящих в том, что основание (опорное кольцо (ОК)), на котором крепится ЗС, представляет собой достаточно жесткий узел, измерители в системе по методу «угловой засечки» можно поместить на ОК ЗС. В этом случае расстояния от измерителей до контрольной точки (L₁, L₂, L₃) значительно сократятся и потенциально метод «угловой засечки» может обеспечить большую точность.

Для измерения углового рассогласования обычно используют автоколлимационный метод измерения как обладающий наибольшей чувствительностью. Наиболее важными с точки зрения реализации оптико-электронных автоколлиматоров (ОЭАК) являются систематические погрешности, влияние которых практически невозможно скомпенсировать из-за сложности определяющих их зависимостей. Из этой группы наибольшее влияние на точность измерения оказывает погрешность _в из-за виньетирования отраженного пучка оправой приемного объектива. Эта погрешность зависит от параметров оптических элементов, что определяет возможность ее уменьшения при определенных соотношениях между ними.

При увеличении диапазона измерения _max или дистанции L до объекта величина смещения d_max отраженного от контрольного элемента (КЭ) луча относительно оптической оси также будет возрастать, что при конечной величине апертуры объектива приведет к 100% виньетированию регистрируемого отраженного пучка и невозможности дальнейшего измерения. Фактически диапазон измерения _max или предельная дистанция L определяются из соотношений (диаметр самого отраженного пучка принимается малым): d_max = L·tg(_max) = L tg(K·_max) = D/2 , где D - диаметр входного зрачка (апертура) объектива автоколлиматора; K - коэффициент передачи КЭ. Следовательно, при известной апертуре (диаметре входного зрачка) приемного объектива D и известной дистанции L реализуемый диапазон измерения _max определится как:

.

В частности, при D = 4 10^-2 м, К = 1 и L = 50 м (эти величины характерны для рассматриваемой системы измерения уходов ЗС РТ-70), получим: Θ_max ≈ 4 10^-4 рад., что может быть недостаточно для обеспечения работоспособности системы измерения во всем диапазоне изменения измеряемых величин.

Можно использовать три схемных решения ОЭАК, реализующих измерения с уменьшением ограничения “по апертуре” — с активной компенсацией отклонения пучка, с рабочим поли–пучком и со специальными КЭ.

Наиболее эффективный с точки зрения расширения диапазона измерения способ компенсации, а именно разворот КЭ, может быть рекомендован для решения задач измерения угловых рассогласований элементов конструкции ЗС РТ-70 только при условии создания высокоточной системы управления углом поворота КЭ с обратной связью по положению отраженного пучка. При этом необходимо будет решить проблему исключения электрического контакта с контролируемым объектом при реализации обратной связи и проблему минимизации массо-габаритных характеристик электропривода системы управления КЭ. Обе указанные проблемы могут быть решены в процессе разработки электроприводов системы управления отражающими щитами основного зеркала.



Рис.3. Схема ОЭАК с активной компенсацией


Для повышения динамической точности системы управления КЭ предлагается использовать введение дополнительной обратной связи по скорости перемещения КЭ. В рассматриваемом случае информацию о скорости перемещения отраженного луча можно легко получить с помощью использования в анализаторе 7 (см. рис.3) люминесцирующий экран из пористого кремния, обладающего эффектом усталости люминесценции. Тогда, в зависимости от соотношения скорости движения по экрану отраженного луча и скорости затухание свечения экрана получаемое изображение будет выглядеть совершенно по-разному (см.рис.4).




Рис.4. Результаты компьютерного моделирования


Два предельных случая наиболее просты - почти неподвижный луч и быстро двигающийся. В первом случае материал экрана будет «уставать» отображать проецируемое на него изображение, и наблюдатель будет видеть на экране постепенное ослабление яркости изображения луча, вплоть до полного исчезновения. Во втором случае, если двигающийся луч перемещается на расстояние порядка своего размера за время меньшее, чем время затухания экрана, изображение не будет отличаться от изображения на обычном экране. Наиболее интересен случай движения с промежуточной скоростью. При этом край луча, направленный в сторону движения, проецируется на свежие, ранее не активированные участки экрана, и отображается с нормальной яркостью. Противоположный край проецируется на области, уже люминесцировавшие какое-то время и поэтому слабее отзывающиеся на активацию. В результате изображение двигающегося луча будет иметь градиент яркости в направлении движения. Величина этого градиента будет зависеть от соотношения времени затухания свечения и скорости движения, а направление – от направления перемещения падающего на экран луча.

С помощью такого экрана можно определять скорость и направление движения «с одного взгляда» на экран, хотя по самым общим представлениям для определения скорости нужно иметь по крайней мере два отсчета. Следовательно, запаздывание в получении сигнала обратной связи по скорости в данном случае будет минимальным.

Кроме того, для исключения из принимаемого сигнала (изображения отраженного луча) низкочастотных временных искажений можно КЭ привести в колебательные перемещения перпендикулярно падающему лучу в высокой частотой f_k, например, закрепив КЭ на пьезоэлементе, раскачиваемом на этой частоте f_k. Тогда отфильтрованный на частоте f_k принимаемый сигнал уже не будет содержать временных помех (искажений) на частотах f << f_k

Далее рассматривается структура системы измерения смещений элементов конструкции (СИСЭК) зеркальной системы радиотелескопа РТ70, построенной на основании метода "угловой засечки".

Основу единой измерительной системы, к которой выполняется привязка других измерительных систем, в том числе и СИСЭК, составляют:

- трехосная гиростабилизированная платформа (ГСП) для измерения углового положения ОПУ относительно азимутальной и угломестной осей в наземной системе координат; в ГСП предполагается использование уникальных прецизионных электростатических гироскопов разработки ЦНИИ "Электроприбор" (Санкт-Петербург), обеспечивающих в течение 3-х часов измерение углов в диапазоне 360⁰ с точностью 1,5" ;

- дискретные одноотсчетные электромеханические индукционные преобразователи угла типа многополюсного вращающегося трансформатора с наружными диаметрами от 60 до 500 мм с точностью 0,5" для контроля углового положения исполнительных осей следящих электросиловых приводов наведения ОЗ, КР и ПЗ.

- дополнительные оптико-электронные измерительные системы трех уровней.

Первый уровень – система измерения положения базовых (с точки зрения построения измерительной системы ) элементов конструкции ОПУ, а именно, опорного кольца и цапф – относительно ГСП единой измерительной системы, содержащая:

- оптико-электронную автоколлимационную систему измерения угловой деформации стоек цапф (Ц) качающейся части РТ относительно корпуса ГСП;

- оптико-электронную автоколлимационную систему измерения углового положения специального элемента конструкции ОЗ – опорного кольца (ОК), жестко связанного с трубой ОЗ – относительно корпуса ГСП.

Второй уровень – система измерения положения базовых элементов конструкции ОПУ, а именно, цапф, относительно абсолютной (наземной) системе координат, содержащая оптико-электронную систему измерения положения угломестной оси ЗС радиотелескопа (как линии, проходящей через центры цапф качающейся части РТ) по азимуту относительно абсолютной системы координат,

В результате действия первой измерительной системы первого уровня и измерительной системы второго уровня будет выполнена привязка ГСП единой измерительной системы к абсолютной системы координат по азимуту.

Третий уровень – система измерения положения элементов ЗС РТ к ОК, содержащая:

- оптико-электронную систему измерения положения щитов (фасет) отражающей поверхности (ЩОП) ОЗ относительно ОК;

- оптико-электронную систему измерения положения КР относительно ОК;

- оптико-электронную систему измерения положения ПЗ относительно ОК.

В результате действия второй измерительной системы первого уровня и измерительных систем третьего уровня будет выполнена привязка всей ЗС РТ к ГСП единой измерительной системы.

Таким образом, в результате действия всех измерительных систем могут быть определены параметры зеркальной системы радиотелескопа и измерено положение ее оси как по углу места, так и по азимуту.

Общая схема размещения компонентов СИСЭК на конструкции РТ-70 показана на рис.5.

Каждая из подсистем СИСЭК: система измерения положения КР, система измерения положения ЩОП и система измерения положения ПЗ, - содержит 2 оптико-электронных теодолита на базовом объекте и 3 реперных источника излучения на контролируемом объекте. Пары теодолитов всех систем измерения располагаются на ОК, а реперные источники – на КР, ЩОП и ПЗ.

Наиболее перспективными представляются два варианта реализации указанных дополнительных измерительных систем: телевизионные измерительные системы (ТВИС) с реперными источниками для измерения азимута ЗС и положения ЩОП, КР и ПЗ, оптико-электронный автоколлиматор с пассивным КЭ для измерения углового положения базовых элементов конструкции относительно гиростабилизированной платформы.

Кроме того, в схему оптико-электронного измерительного канала (ОЭИК) целесообразно ввести канал компенсации регулярной рефракции, представляющий собой прибор управления по лучу, состоящий из двухволнового задатчика оптической равносигнальной плоскости (ОРСП) и приемной части, регистрирующей смещения этой плоскости вследствие рефракции.

Теоретически доказана принципиальная возможность создания канала измерения азимута зеркальной системы относительно базовой (абсолютной) системы координат с погрешностью порядка (1,2-0,9)”, удовлетворяющей допустимым погрешностям измерения. Однако следует учитывать, что в реальных условиях добавится значительное количество технологических и эксплуатационных погрешностей. Причем особенно сильное влияние в реальных условия будет обусловлено градиентом температур воздушного тракта. Чтобы существенно ослабить отмеченное влияние либо необходима текущая информация о температурном поле. Для уточнения величин погрешностей рассматриваемой измерительной системы целесообразно провести всесторонние исследования на ее физической модели, максимально приближающейся к приборной реализации.


Рис.5. Общая схема размещения компонентов СИСЭК на РТ-70


Аналитически показано, что диапазоны измерения и точность автоколлимационных систем достаточны для реализации измерительных систем второго уровня.

Так же было установлено, что суммарная погрешность определения пространственного положения точек на поверхности каждого ЩОП не должна превышать 0,25 мм. при относительно малом времени измерения. По причине сложности реализации системы измерения с требуемым быстродействием предлагается измерение положения вершины и оси ОЗ разделить на два этапа - предварительный статический (зенитальный) и динамический (непосредственная оценка).

На первом этапе ОЗ переводится в зенитальное положение, и в течение длительного времени выполняется измерение положения ЩОП сначала с помощью универсальных измерительных средств – автоматических тахеометров программным наведением на контролируемую точку со средней погрешностью 0,25 мм. Затем с помощью контактных измерительных средств, например, оптических мерных жезлов, положение уточняется с конечной погрешностью порядка 0,05 мм. Полученные данные о положении ЩОП заносятся в компьютерную модель, выполняющую расчет параметров ОЗ.

На втором этапе ОЗ находится в рабочем положении. С помощью специализированной измерительной системы измеряются пространственные координаты ограниченного числа (25...30) контрольных точек на поверхности зеркала с требуемой точностью и быстродействием 0,02 с (при разработке специальной системы снятия сигнала – 0,002 с). По измеренным данным выполняется коррекция расчетной модели параметров ОЗ для текущего азимутального и угломестного положения.

Предлагается использовать специализированную измерительную систему, состоящую из отдельных каналов по количеству контрольных точек на поверхности ОЗ. Каждый канал зафиксирован неподвижно относительно базы – ОК и постоянно наведен на контролируемую точку. Один канал измерения координат точки на поверхности ЩОП работает по методу прямой угловой засечки с двумя телевизионными измерительными системами (ТВИС), расположенными на ОК.

По причине сложности аналитической оценки погрешности измерения измерительного канала была разработана имитационная модель, позволяющая выполнить анализ влияния погрешностей работы ТВИС на общую погрешность измерения системы. Расчет проводился для крайнего ряда ЩОП (специально рассчитывается неоптимальный вариант расположения объекта контроля для наиболее удаленных контрольных точек). В качестве оценки погрешности измерения координат контрольной точки в пространстве используются выборочное среднее погрешности измерения merr и среднее квадратическое значение погрешности измерения трех координат контролируемой точки σerr. Распределение погрешностей измерения по циклам моделирования приведено на рис.6

Из результатов моделирования следует, что среднее значение погрешностей находятся в допустимых пределах, но при отдельных экспериментах погрешность измерения Z – координаты превышает допустимую. Это означает, что:

1.) результат измерения выдаваемый данной системой в ВУК должен быть средним значением из нескольких измерений

2) реализуется ситуация на пределе потенциальной точности метода и для более достоверной оценки погрешности необходимо как совершенствование модели в плане расширения круга учитываемых погрешностей, так и реализация физической модели измерительного канала с последующим экспериментальным исследованием.




Рис.6. Погрешности измерения.


Далее предлагается концепция построения системы измерение пространственного положения КР по двухэтапной схеме:

а) пространственное положение КР системой третьего уровня измеряется относительно ОК;

б) угловое положение ОК с помощью систем второго и первого уровня, как было описано ранее, привязывается к абсолютной системе координат.

Можно считать , что поверхность КР практически не деформируется и поэтому для оценки пространственного положения КР достаточно измерить положение в пространстве трех контрольных точек на его поверхности, что определяет необходимость реализации трех измерительных каналов.

Каждый канал измерения координат точки на поверхности КР работает по методу прямой угловой засечки (или триангуляционному методу) с двумя ТВИС, расположенными на опорном кольце.

Для оценки погрешности измерения использовалось компьютерное моделирование, где в качестве оценки погрешности измерения координат контрольной точки в пространстве использовались выборочное среднее погрешности измерения merr и среднее квадратическое значение погрешности измерения трех координат контролируемой точки σerr.

Распределение погрешностей по циклам моделирования приведено на рис.7



Рис.7.Погрешности измерения пространственного положения КР


Анализ рис.7 позволяет сделать вывод о реализуемости требуемой погрешности измерения (0,04 мм) по координатам X и Y, и нереализуемости требуемой точности по координате Z. Дальнейшие эксперименты с компьютерной моделью показали, что требуемая точность измерений положения КР по координате Z (по оси ОЗ) будет достигнута при расположении ТВИС измерительных каналов на базе 12…14 метров. Это практически может быть реализовано, например, при размещении блоков ТВИС на штангах, расположенных в виде лучей шестиугольной звезды, прикрепленных к ОК.

Так же рассматривается задача определения 3-х линейных и 3-х угловых координат ПЗ с достаточно высокой точностью при довольно значительных пределах измерения.

Предлагается использовать схему измерения координат точки в пространстве методом прямой угловой засечки двумя ТВИС. Располагая на оправе ПЗ 3 марки, а на ОК – 3 пары ТВИС, получим по 3 линейные координаты x_ок , y_ок , z_ок для каждой марки. Линейные смещения марок легко пересчитываются в угловые смещения.

Для оценки погрешности измерений, как и ранее использовалось компьютерное моделирование. Распределение погрешностей по циклам моделирования приведено на рис.8.

Погрешности определения угловых координат ПЗ определялись путем пересчета линейных координат в угловые величины. Примем диаметр оправы ПЗ равным D = 600 мм., тогда в соответствии с данными из рис.8 получим:

_X3 =z_B / (D/2) = 0,034 / 300 = 1,1310^-4 = 23",

_Y3 = z_A / (3^1/2 D/4) = 0,034 / 260 = 1,3010^-4 = 26",

_Z3 = x_B / (D/2) = 0,0004 / 300 = 1,310^-6 = 0,26",

где _X3 , _Y3 , _Z3 - погрешности измерения углового положения и угловых перемещений ПЗ относительно осей X₃ , Y₃ , Z₃ ; z_A , z_C , y_C – погрешности измерения линейных координат трех точек на ПЗ.




Рис.8. Погрешности измерения координат ПЗ


Таким образом, _X3 , _Y3 не проходят по точности, а _Z3 укладывается в допуск на пределе. Для уменьшения погрешности есть два пути. Первый - увеличение фокусного расстояния оптической системы ТВИС до 300мм. Тогда расчет дает величину z = 0,011 мм, а погрешности определения угловых координат будут равны:

_X3 = z_B / (D/2) = 0,011 / 300 = 1,1310^-4 = 8" ,

_Y3 = z_A / (3^1/2 D/4) = 0,011 / 260 = 1,3010^-4 = 9".

Второй путь - использование для измерения поворотов двухкоординатного ОЭАК При этом можно получить погрешности измерений : _X3 = _Y3 = 0,1d / f' = 0,1  0,01 / 90 = 10^-5 рад = 2" , где d = 0,01 мм - размер элемента ПЗС (0,1d - программная погрешностью позиционирования), f' = 90 - фокусное расстояние объектива. Полученные погрешности значительно меньше требуемых.

В заключении делается вывод, что аналитические расчеты и компьютерное моделирование подтверждают возможность измерения смещения элементов конструкции РТ-70 с заданной точностью и с необходимым быстродействием предложенными методами и средствами.